关键词：天然气站场区域；阴极保护系统；存在的问题；措施
引言
目前，在天然气行业的发展过程中，钢制管道在我国天然气长输管道及站场建设中使用非常普遍，对于埋地钢制管道的防腐措施，一般采用防腐涂层与阴极保护联合的方式，目前区域阴极保护形式在石油天然气站场应用广泛，且效果显著，但也暴露出一些问题。通过对天然气站场区域阴极保护技术特点的探讨，结合现场区域阴极保护在设计、施工、运行过程中存在的一些问题提出了初步的解决办法，并就如何保证站场区域阴极保护系统的正常运行提出了管理措施，应做到阴极保护设备、恒电位仪、参比电极、阳极地床、测试桩装置、绝缘法兰等的定期检查和维护。
1区域阴极保护的技术特点
区域阴极保护是对某一地区所有预保对象整体进行阴极保护，依靠辅助阳极的合理分布，保护电流的自由分布，以及相邻管线和设备之间的电气绝缘对象被置于指定且确定的电势范围内。区域阴极保护的技术特点包括：（1）站内埋管腐蚀层薄弱，接地系统庞大，阴极保护电流消耗高。（2）地下金属结构错综复杂，站外阴极保护系统、自身回路与回路之间的干扰和屏蔽两种情况同时存在，且较为严重。（3）安全性要求高，天然气站场为易燃、易爆场所，属于一级防火区，要保证在输出大电流的情况下不能发生短路打火现象。（4）阴极保护系统较复杂，后期调试整改工作量较大，局部地区因特殊原因很难达到阴极保护效果，需要反复测量、调试，最终达到各系统之间的平衡，以求获得最佳保护效果。
2天然气站场区域阴极保护系统存在的问题
2.1明火作业引发火灾爆炸
天然气站场进行动火作业时，在站场内的输气管道、储气设备以及装有易燃易爆介质的容器上会直接或间接使用明火，稍有不慎会引发火灾爆炸危险，导致巨大的人员伤亡和经济损失。
2.2防腐覆盖层故障
这里所说的防腐覆盖层故障是指广义的故障，就是说，当两座阴极保护站之间管段整体防腐覆盖层绝缘电阻小于防腐覆盖层极限电阻时，阴极保护站提供最大的保护电流都已无法满足最小阴极保护电位标准，在这种情况下，认为防腐覆盖层出现了故障。防腐覆盖层故障主要发生在防腐覆盖层接近使用寿命并开始出现明显老化趋势的管道上。
构成防腐覆盖层故障的因素有两个，一是防腐覆盖层整体性能老化，导致绝缘电阻下降；二是管理部门对防腐覆盖层放松管理，长期不对防腐覆盏层进行检漏、修补，致使防腐覆盖层的破损积少成多，判断这种故障应由工程技术人员进行或委托专业测试队伍承担。
2.3管道阴保电位异常
对套管对地电位进行测试，结果表明有阴保电流流入套管和被保护管道，钢筋混凝土结构含有导电成分，不存在绝缘层屏蔽；套管和工作管线通过电解质发生电性连接，穿越套管的短路分流是造成被保护管线阴保电位欠保护的原因。设计的埋地管道和保护套管之间是干燥绝缘的，但是水有时通过有残缺的密封端头进入套管，或是由通气孔进入套管的空气中凝结水气。管线和套管间积存的水和其他电解质导致两者产生电性连接，从而造成阴保电流分流，被保护管线得不到有效保护。在施工阶段，涂覆的管线被推入套管时，管线涂层很可能被损坏，由于套管与管道间的空间比较狭小，所处位置又不能定期开挖维修，所以存在较大的腐蚀安全隐患。
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3天然气站场区域阴极保护系统优化
3.1区域性阴极保护电流密度的选取
阴极保护电流需求量是区域性阴极保护一个非常重要参数。主要从三种方法确定所需保护电流密度：①经验估算法，主要估计防腐层面电阻率来选取阴极保护电流密度，得到近似电流总需求量。常用防腐层面电阻率，及根据防腐层面电阻率按如下原则选取保护电流密度。但针对油气集输站场埋地被保护体的多样性和分布的复杂性及表面状况差异较大的特点，仅参照标准中给定的参数通过经验估计方法是难以准确确定所需的保护电流密度；②实验室测量法主要利用电化学测量系统，根据区域内实际被保护对象的类型、表面状况差异制作相应的测试试样，通过极化曲线（极化电流密度和极化电位对应关系曲线）测试，得到不同试样的极化电流密度值，根据保护面积计算得到区域阴极保护保护总电流需求量；③现场馈电试验法通过现场建立临时保护站，预埋临时阳极地床，测量被保护结构的电位，调整临时电源系统的输出电流和电压，直至建立较理想保护电位，再根据测试实验输出电流情况确定区域阴极保护电流需求量。
3.2运维管理措施
（1）阴极保护设备应定期检查，包括阴极保护设备电路接触的可靠性。（2）恒电位仪的检测和维修。包括：①区域阴极保护设备一般设有备份回路，应根据管理要求定期使用，切换到备份循环时，应立即检查和修复，设备维修过程中不得带电插拔各种插接件、印刷电路板等；②观察所有部件是否有腐蚀、荒废、损坏、电路故障情况，紧固件是否松动，连接点是否可靠，引信是否完好等，必须找出原因，进行处置；③清洁内部，除去灰尘；④发现设备故障时应及时检修，并投用备用回路。（3）参比电极的检查与维护。对于液态硫酸铜电极，溶液的泄漏和铜棒的清洁度必须每周检查一次，进行实地测量时，要保持清洁，防止污染。应每间隔一段时间清洗电极中的铜棒，露出铜的颜色。饱和硫酸铜溶液应使用纯的硫酸铜晶体和蒸馏水进行制备，硫酸铜溶液混浊时，应及时更换。参比电极外壳应采用非透明材料，并预留观察窗。符合上述要求且经现场测量电位验证的便携式参比电极可用于校对其他参比电极。（4）阳极地床的维护。阴极保护站应明确标志出阳极电缆的走向及阳极地床位置，阴极保护站检修时一并检查阳极及电缆周边有无大规模开挖施工等对阳极正常运行造成影响的情况，每月检修情况应记录在《专业设备技术档案》中，阳极床的电阻值可以每月测试一次。当接地电阻增大，使恒电位器不能提供管道所需的保护电流时，应更换或修复阳极地床，以降低接地电阻。在特别干旱地区，阳极地床可定期采取浇水降阻措施。当实际测量的地面阻力大于允许值时，应及时维护、修理或更换阳极地床。
3.3区域性阴极保护数值模拟技术
站场区域性阴极保护系统的设计单靠经验估计，缺乏理论指导，很难达到预期的效果。采用数值模拟方法来对区域性阴极保护效果进行预测，对于提高阴极保护的效果具有重要意义。区域性阴极保护电位分布的数学模型包括问题的描述方程和相应的边界条件两个方面，主要根据被保护构件的几何尺寸和阳极的位置、形状，电流流经的体系周围介质的电性能，阴、阳极的电化学特性而建立。常用的阴极保护电位分布描述方程为拉普拉斯方程。
边界条件常采用阳极边界、土壤边界和阴极边界三种边界。阳极边界常采用电位值恒定的第一类边界条件，土壤边界一般采用电流密度恒定的第二类边界条件，阴极边界常采用极化特性函数表示的第三类边界条件，一般通过极化特性测试获得。
阴极保护体系的数学模型可通过有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）和边界元法（BEM）等来求得数值解，FEM法与FDM法相比的一个优点在于可方便地处理复杂的或弯曲的几何面，但同FDM法一样，结果的精度也与单元的大小和数目有关，因此进行三维阴极保护系统模拟时，计算量和花费的时间将是很大的。BEM法通过建立边界积分方程，能使问题维数降低一维，方程组阶数降低，给定节点密度下的计算精度提高，克服了FDM法和FEM法数据准备量大的缺陷，成为在阴极保护数值计算领域有广阔前景的计算方法。
结语
为了从根本上解决天然气战场中经常出现的问题，需要从加强安全管理，改进防护措施，规范人员操作等多个方面入手对站场存在的潜在威胁加以消除，保证站场的安全正常运行、管道设备的可靠耐用以及现场工作人员的人身安全，从而可大大提高天然气站场的经济效益和社会效益。
参考文献
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[2]郭莉，程晓峰，巩忠旺等.输气站场埋地管道的腐蚀与防护[J].全面腐蚀控制，2012，26（10）：31-35.
论文作者:胡晓杨,王现兵
论文发表刊物:《科学与技术》2019年21期
论文发表时间:2020/4/17
标签：阴极论文; 阳极论文; 电流论文; 电位论文; 边界论文; 套管论文; 管道论文; 《科学与技术》2019年21期论文;